中國科大研制出生物合成的纖維素基絕緣納米紙

發(fā)布：cyqdesign 2023-05-26 10:44 閱讀：402

隨著人類對(duì)南極洲、月球和火星等極端環(huán)境探索的深入，不斷出現(xiàn)的極端環(huán)境條件，包括強(qiáng)紫外線（UV）環(huán)境、原子氧（AO）和高低溫交替環(huán)境等，已經(jīng)成為今后探索的主要障礙。在這些極端環(huán)境下，材料的物理化學(xué)特性會(huì)發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)䦟?dǎo)致重要設(shè)備和裝置的損壞。在傳統(tǒng)材料當(dāng)中，金屬和陶瓷本身具有出色的機(jī)械性能和對(duì)極端環(huán)境的耐受性，但金屬材料面臨密度過高、重量過大的問題，而陶瓷材料則面臨脆性和難以加工等問題。另一方面，雖然聚合物具有輕質(zhì)和可塑的特點(diǎn)，但目前大多數(shù)聚合物基復(fù)合材料在極端環(huán)境長期服役會(huì)產(chǎn)生高溫軟化和低溫脆性等問題。因此，設(shè)計(jì)和制備一種能長期在極端環(huán)境下服役的高性能防護(hù)材料是材料領(lǐng)域面臨的難題之一。
近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種高性能纖維素基納米紙材料，其在極端條件下仍可保持優(yōu)異的機(jī)械和電絕緣性能。該納米紙是通過該研究團(tuán)隊(duì)早期發(fā)展的氣溶膠輔助生物合成（AABS）方法，利用細(xì)菌產(chǎn)出的纖維素納米纖維（BC）將分散在材料中的合成云母（S-Mica）均勻而緊密地纏結(jié)而獲得的。相關(guān)成果以Nacre-inspired bacterial cellulose/mica nanopaper with excellent mechanical and electrical insulating properties by biosynthesis為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。

圖1.復(fù)合納米紙的的制備與結(jié)構(gòu)。（a）生物合成復(fù)合納米紙的構(gòu)造過程示意圖；（b）納米紙的數(shù)碼照片；（c）納米紙的仿珍珠母的“磚-泥”結(jié)構(gòu)。

研究人員利用AABS策略用細(xì)菌纖維素將合成云母納米片均勻負(fù)載到復(fù)合水凝膠中，之后通過熱壓的方式得到最終的仿珍珠母結(jié)構(gòu)的納米紙材料（圖1）。得益于納米紙的精細(xì)的“磚-泥”結(jié)構(gòu)，所得到的納米紙表現(xiàn)出高強(qiáng)度（~375 MPa）、高模量（~14.9 GPa）、高韌性（~16.44 MJ m^-3）、可折疊性和抗彎曲疲勞性等優(yōu)異的力學(xué)性能。同時(shí)，材料內(nèi)部的“磚-泥”結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了云母的高介電強(qiáng)度，從而賦予了該納米紙較高的電擊穿強(qiáng)度（145.7 kV mm^-1）。與純纖維素納米紙相比，該復(fù)合納米紙的耐電暈壽命顯著提高，甚至超過了商用聚酰亞胺（PI）薄膜。

圖2.納米紙的綜合性能。（a）納米紙的力學(xué)性能表征；（b-c）納米紙的綜合性能與文獻(xiàn)中絕緣材料的對(duì)比；（d）納米紙熱振前后的力學(xué)性能對(duì)比；（e）納米紙?jiān)谝旱袕澢掌唬╢）納米紙的熱膨脹系數(shù)；（g）納米紙對(duì)原子氧的耐受性表征；（h-i）納米紙對(duì)紫外線的耐受性表征。

此外，該項(xiàng)研究報(bào)道的BC/S-Mica納米紙?jiān)诟叩蜏亟惶�、紫外線和原子氧AO等極端條件下仍表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，這為未來對(duì)極端環(huán)境的探索提供了很好的防護(hù)材料選擇。

相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中國高校協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃和安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的支持。

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